串聯電路中的電壓 – 定義、公式、計算和應用

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在一個電路中，當兩個或多個電路元件以只允許電流單向流動的方式連線在一起時，這種電路元件的連線方式被稱為串聯電路。因此，在串聯電路中，流過所有電路元件的電流相同，但每個元件上的電壓不同。在本文中，我們將討論串聯電路中的電壓以及如何計算它。

什麼是串聯電路中的電壓？

在串聯電路中，每個元件上的電壓不同，並且取決於元件的引數（例如，電阻器的電阻）。為了理解串聯電壓，請考慮圖 1 所示的電阻串聯電路。

在這個電路中，流過所有元件的電流相同，但每個元件上的電壓不同。此處，電池為電荷提供能量，使其流過電路。電池上的電壓稱為電動勢 (emf)。電阻器上的電壓稱為電壓降。因此，當電荷透過電池時，它會獲得能量，而當它透過電阻器時，它會損失能量。

因此，當一個電荷（考慮常規方向）從電池的正極開始它的旅程時，假設它具有 V 伏特的能量。當它透過電阻器 𝑅₁ 時，由於其電阻，部分電荷能量損失，假設為 𝑉₁ 伏特。類似地，當它透過電阻器 𝑅₂ 和 𝑅₃ 時，它分別損失 𝑉₂ 和 𝑉₃ 伏特。

根據能量守恆定律，已知對於電荷而言，其旅程中獲得的能量和損失的能量必須相等。

$$\mathrm{\therefore V_{B}=V_{1}+V_{2}+V_{3}}$$

其中，𝑉₁、𝑉₂ 和 𝑉₃ 的值可由歐姆定律給出，如下所示：

$$\mathrm{V_{1}=IR_{1}}$$

$$\mathrm{V_{2}=IR_{2}}$$

$$\mathrm{V_{3}=IR_{3}}$$

從上述串聯電路示例可以看出，串聯電路中的電壓只是電路中不同元件電壓的代數和。

直流電壓源的串聯連線

我們可以將多個直流電壓源串聯起來以獲得更高的直流電壓。直流電壓源的串聯連線如圖 2 所示。串聯組合的總電壓等於所有電壓源電壓之和。

在這種情況下，直流電壓源串聯組合的總電壓由下式給出：

$$\mathrm{V = 12 + 5 + 9 = 26 V}$$

交流電壓源的串聯連線

我們還可以將交流電壓源串聯起來以獲得更高的交流電壓。在將交流電壓源串聯時，務必記住所有交流電壓源的角頻率 (ω) 必須相同。此外，我們可以將多個具有不同頻率的交流電壓源串聯起來，但在這種情況下，流過所有電壓源的電流必須相同。

在這種情況下，交流電壓源串聯組合的總電壓由下式給出：

$$\mathrm{V= 22\: sin(24t)\: \cdot \cdot \cdot (a)}$$

$$\mathrm{V= 12 \: sin 24t + 10 \: sin 20t \: \cdot \cdot \cdot (b)}$$

直流和交流電壓源的串聯連線

我們還可以將直流電壓源和交流電壓源串聯起來，前提是流過所有串聯電源的電流必須保持不變。圖 4 顯示了直流電壓源和交流電壓源串聯組合的一個示例。

直流電壓源和交流電壓源串聯組合的總電壓由下式給出：

$$\mathrm{V= 12 + 10\: sin 10t}$$

串聯電壓的應用

在實際應用中，串聯電壓用於許多電氣和電子系統和裝置中。其中一些列在下面：

• 電池在遙控器、玩具等中串聯連線。

• 電池由串聯連線的電池組成。

• 分壓電路是串聯電路電壓的一個例子。

• 電池供電的手電筒電路也是串聯電路電壓的一個例子，其中燈泡透過電阻器連線到電池。

結論

從以上討論可以看出，電源提供的總電壓在所有串聯連線的電路元件之間共享。所有串聯電壓之和等於總電源電壓之和。當我們需要高電壓時，只需將不同的電壓源串聯起來即可獲得所需的電壓。